Giáo án Vật lý 12 nâng cao - Bài 61: Thuyết Big Bang - Trường THPT Chu Văn An

Bài 61: THUYẾT BIG BANG
I. MỤC TIÊU
	- Hiểu các sự kiện dẫn đến sự ra đời của thuyết Big Bang.
	- Nêu được những nội dung chính của thuyết Big Bang.
II. CHUẨN BỊ
	1. Học sinh: Ôn lại kiến thức về hạt sơ cấp và hiệu ứng Đốp-ple( Bài 18).
	2. Giáo viên: PHIẾU HỌC TẬP
	Câu 1: Tốc độ lùi xa của một thiên hà cách chúng ta hai trăm nghìn năm ánh sáng là
	A. 1700m/s	B. 3400m/s	C. 6800m/s	D. 3400km/s
	Câu 2: Theo thuyết Big Bang, các nguyên tử đầu tiên xuất hiện vào thời điểm nào sau vụ nổ?
	A. t = 3000 năm	B. t = 30000 năm	C. t = 300000 năm	D. t = 3000000 năm
	Câu 3: Các vạch quang phổ của các thiên hà
	A. đều bị lệch về phía bước sóng ngắn.	
	B. đều bị lệch về phía bước sóng dài.
	C. hoàn toàn không bị lệch về phía nào cả.	
	D. có trường hợp lệch về phía bước ngắn, có trường hợp lệch về phía bước sóng dài.
	Câu 4: Theo thuyết Big Bang thì vũ trụ được hình thành là do vụ nổ lớn cách nay
	A. 16 tỉ năm	B. 15 tỉ năm	C. 14 tỉ năm	D. 13 tỉ năm
	Câu 5: Theo thuyết Big Bang thì vũ trụ tại thời điểm cách đây 10 tỉ năm có
	A. nhiệt độ nhỏ hơn 1032K, mật độ lớn hơn 1091kg/cm3
	B. nhiệt độ lớn hơn 1032K, mật độ nhỏ hơn 1091kg/cm3
	C. nhiệt độ nhỏ hơn 1032K, mật độ nhỏ hơn 1091kg/cm3
	D. nhiệt độ lớn hơn 1032K, mật độ lớn hơn 1091kg/cm3
 III. GỢI Ý VỀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY – HỌC
Hoạt động 1: Ổn định tổ chức lớp. Kiểm tra bài cũ. Đặt vấn đề vào bài.
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
- Gọi Lớp Trưởng hoặc Lớp Phó báo cáo tình hình của lớp.
- Kiểm tra bài cũ: 
	Sao là gì? Nêu những đặc trưng chính của sao?
- Đặt vấn đề vào bài:
	Những câu hỏi từ xa xưa, như Vũ trụ từ đâu sinh ra, sinh ra từ bao giờ, tiến hóa ra sao đang dần dần được Thiên văn học ngày nay trả lời. Trong vài chục năm gần đây, kết hợp với thành tựu của vật lí học hạt sơ cấp, vật lí thiên văn đã đạt được một bước tiến quan trọng trong việc nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hóa của Vũ trụ. Đó là sự ra đời của Thuyết Big Bang.
- Lớp trưởng báo cáo tình hình lớp.
- Trả lời bài cũ:
	Sao là một khối khí nóng sáng, giống như mặt trời. Những đặc trưng chính của sao: 
	+ Các sao ở rất xa
	+ Xung quanh một số sao còn có các hành tinh chuyển động, giống như hệ mặt trời.
	+ Khối lượng các sao có giá trị trong khoảng từ 0,1 lần khối lượng Mặt Trời đến vài chục lần khối lượng Mặt Trời.
	+ Bán kính các sao từ khoảng một phần nghìn lần bán kính Mặt Trời đến gấp hàng nghìn lần bán kính Mặt Trời.
- Nghe GV đặt vấn đề vào bài.
Hoạt động 2: Tìm hiểu các thuyết về sự tiến hóa của vũ trụ
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
	- Hãy cho biết có những quan điểm nào nói về nguồn gốc và sự tiến hóa của Vũ trụ (Vũ trụ luận)?
( Có thể cho HS thảo luận theo nhóm)
- Như vậy khi nói về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ đã có các thuyết khác nhau. Để khẳng định xem, “trong số hai thuyết đó, thuyết nào miêu tả sự tiến hóa của Vũ trụ đúng hơn”, ta cần phải căn cứ vào các kết quả nghiên cứu và quan sát thiên văn nhờ các thiết bị hiện đại. 
- Khi nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ đã có hai trường phái khác nhau:
	+ Một trường phái do nhà vật lí người Anh Hoi-lơ (Fred Hoyle, 1915 ¸ 2000) khởi xướng, cho rằng vũ trụ ở trong “trạng thái ổn định”, vô thủy vô chung, không thay đổi từ quá khứ đến tương lai. Vật chất được tạo ra một cách liên tục.
	+ Trường phái khác lại cho rằng Vũ trụ được tạo ra bởi một vụ nổ “vĩ đại” các đây khoảng 14 tỉ năm, hiện nay đang dãn nở và loãng dần. Vụ nổ nguyên thủy này được đặt tên là Big Bang (vụ nổ lớn). Năm 1948, các công trình nghiên cứu lí thuyết của nhà vật lí học người Mĩ gốc Nga Ga – mốp đã tiên đoán vết tích của bức xạ Vũ trụ nguyên thủy, lúc đầu nóng ít nhất hàng triệu tỉ độ, ngày càng nguội dần vì Vũ trụ dãn nở.
- Nghe nhận xét GV
Hoạt động 3: Tìm hiểu về các sự kiện thiên văn học quan trọng
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
Giới thiệu các sự kiện thiên văn học như mục 2 trang 314 Sách giáo khoa
- Căn cứ vào kết quả quan sát nào mà người ta lại có thể kết luận các thiên hà lùi ra xa chúng ta? 
- Quan sát được các thiên hà càng xa bao nhiêu, chúng ta càng thăm dò được trạng thái của Vũ trụ trong quá khứ xa xưa bấy nhiêu. Các quan sát thiên văn dựa vào các dụng cụ ngày càng hiện đại cho thấy, số các thiên hà trong quá khứ nhiều hơn hiện nay. Điều đó chứng tổ rằng, vũ trụ không ở trong trạng thái ổn định mà đã có biến đổi : Vũ trụ trong quá khứ “đặc” hơn bây giờ. Năm 1929, nhà thiên văn học người Mĩ Hớp-bơn. Dựa vào hiệu ứng Đô-ple đã phát hiện thấy rằng các thiên hà xa xăm rải rác khắp bầu trời đều lùi ra xa Hệ Mặt trời của chúng ta. Hơn nữa, ông còn tìm thấy rằng, tốc độ lùi ra xa của thiên hà tỉ lệ với khoảng cách d giữa thiên hà và chúng ta (định luật Hớp – bơn)
	v = H.d
với H là một hằng số, gọi là hằng số Hớp-bơn có trị số H = 1,7.10-2 m/s. năm ánh sáng (1 năm ánh sáng = 9,46.1012km).
Điều phát hiện của Hớp-bơn đã chứng tỏ các thiên hà dịch chuyển ra xa nhau, đó là bằng chứng của sự kiện thiên văn quan trọng : Vũ trụ đang dãn nở.
- GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi C1
- GV trình bày về bức xạ “nền” vũ trụ
	Năm 1965 hai nhà vật lí thiên văn người Mĩ, Pen-di-át và Uyn-xơn đã tình cờ phát hiện ra một bức xạ “lạ” khi họ đang thử máy thu tín hiệu trên bước sóng 3 cm. Sau đó, họ đã khẳng định được rằng bức xạ này được phát đồng đều từ tứ phía trong không trung và tương ứng với bức xạ nhiệt của vật ở khoảng 3K (chính xác là 2,735K); bức xạ này được gọi tắt là bức xạ 3K. Kết quả thu được đã chứng tỏ bức xạ đó là bức xạ được phát ra tứ phía từ Vũ trụ nay đã nguội và được gọi là bức xạ “nền” Vũ trụ.
Hãy cho biết bức xạ trên có thể thuộc miền sóng điện từ nào?
- Qua hai sự kiện thiên văn nêu trên ta có thể rút ra kết luận gì?
- Không chỉ hai sự kiện thiên văn trên mà còn một số sự kiện thiên văn khác đã chứng minh cho tính đúng đắn của thuyết Big Bang.
Nghe GV giới thiệu các sự kiện thiên văn học và nghi nhớ.
- Căn cứ vào kết quả quan sát thiên văn người ta đã kết luận các thiên hà lùi ra xa chúng ta.
- Nghe và ghi nhớ
- Trả lời câu hỏi C1
	Áp dụng công thức: v = Hd
	Với H = 1,7.10-2 m/s.nas; 
	d = 200000 năm ánh sáng
=> v = 1,7.10-2.2.105m/s = 3400m/s.
- Nghe và ghi nhớ
- Bức xạ nền vũ trụ có thể thuộc miền sóng vô tuyến điện.
- Qua hai sự kiện thiên văn nêu trên ta có thể thấy tính đúng đắn của thuyết Big Bang.
Hoạt động 4: Tìm hiểu về thuyết Big Bang
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
- GV yêu cầu HS đọc nội dung của thuyết Big Bang trong Sgk sau đó tóm tắt nội dung chính của thuyết.
- Nội dung chính của thuyết Big Bang:
	+ Vũ trụ bắt đầu dãn nở từ một “điểm kì dị” là điểm lúc tuổi và bán kính của vũ trụ là số không để làm mốc (gọi là điểm zero Big Bang). Tại điểm này các định luật vật lí đã biết và thuyết tương đối rộng (thuyết hấp dẫn) không áp dụng được. 
	+ Ta chỉ dự đoán được những sự kiện đã xảy ra bắt đầu từ thời điểm tp = 10-43 s sau Vụ nổ lớn, thời điểm này được gọi là thời điểm Plăng. Ở thời điểm Plăng, kích thước vũ trụ là 10-35 m, nhiệt độ là 1032 K và mật độ là 1091 kg/cm3. Các trị số cực nhỏ và cực lớn này, được gọi là trị số Plăng (vì chúng được tính ra từ hằng số cơ bản Plăng h). Từ thời điểm này vũ trụ dãn nở rất nhanh, nhiệt độ của vũ trụ giảm dần.
	* Tại thời điểm Plăng, Vũ trụ bị tràn ngập bởi các hạt có năng lượng cao như êlectron, nơtrinô và quác. Năng lượng trong Vũ trụ vào thời điểm Plăng ít nhất phải bằng 1015 GeV.
	- Tại thời điểm t = 10-6 s, chuyển động của các quac và phản quac đã đủ chậm, để các lực lượng tác mạnh gom chúng lại và gắn kết thành các prôtôn và nơtron. Vì năng lượng liên kết của các quac trong các nuclôn đều rất lớn, mà năng lượng trung bình các hạt trong vũ trụ lúc này chỉ còn là 1GeV, nên không thể có sức mạnh nào có thể giải phóng quac ra khỏi các nuclôn. Các hạt quac đã vĩnh viễn bị “cầm tù” trong các hađrôn.
	* Các nulôn được tạo ra sau Vụ nổ một giây.
- Tại thời điểm t = 3 phút, các hạt nhân heli được tạo thành. Trước đó, prôtôn và nơtron đã kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân đơteri , nhưng ngay lập tức, hạt nhân đó bị các phôtôn năng lượng cao phá vỡ. Nhưng tới phút thứ ba, vũ trụ đã lạnh đi nhiều, năng lượng của các phôtôn cũng giảm nhiều, không đủ để phá vỡ hạt nữa, Khi đó, đã xuất hiện các hạt đơteri , triti và heli bền. Sau này, các hạt nhân hiđrô và heli đã trở thành các viên gạch đầu tiên để tạo thành các hạt nhân nặng. Hiện nay, người ta đã xác định được rằng hiđrô và hêli chiếm 98% khối lượng của các ngôi sao và các thiên hà, khối lượng các hạt nhân nặng hơn chỉ chiếm 2%. Ở mọi thiên thể, và ¾ khối lượng là hiđrô. Điều đó chứng tỏ rõ rệt rằng, mọi thiên thể, mọi thiên hà đều có một nguồn gốc chung trong quá khứ.
	* Ba phút sau đó mới xuất hiện các hạt nhân nguyên tử đầu tiên.
- Tại thời điểm t = 300 000 năm, các loại hạt nhân khác nhau đã được tạo thành, tương tác chủ yếu chi phối vũ trụ là tương tác điện từ. Các lực điện từ gắn các electron với các hạt nhân, tạo thành các nguyên tử H và He. Các êlectron bị giam trong các nguyên tử, vũ trụ trở nên thông thoáng hơn, “trong suốt” hơn. Các phôtôn không bị cản trở, dễ dàng bay tỏa đi mọi phương từ đó cho tới nay, và tạo ra bức xạ “nền” vũ trụ.
	* Ba trăm nghìn năm sau mới xuất hiện các nguyên tử đầu tiên.
- Tại thời điểm t = 3000000 năm, các nguyên tử đã được tạo thành, tương tác chủ yếu chi phối vũ trụ là tương tác hấp dẫn. Các lực hấp dẫn thu gom các nguyên tử lại, tạo thành các thiên hà và ngăn cản các thiên hà tiếp tục nở ra, chỉ có khoảng cách giữa các thiên hà tiếp tục tăng lên. Trong các thiên hà, lực hấp dẫn nén các đám nguyên tử lại, tạo thành các sao.
	* Ba triệu năm sau mới xuất hiện các sao và thiên hà.
	* Tại thời điểm t = 14.109 năm, vũ trụ ở trạng thái hiện nay, với nhiệt độ trung bình T = 2,7 K.
- Những sự kiện và những số liệu đã nêu trên đây chưa phải là hoàn toàn chính xác, còn có những chỗ sẽ phải bổ sung hoặc hiệu chỉnh. Tuy nhiên, về đại thể, quá trình trên đây được coi là đáng tin cậy.
- Thuyết Vụ nổ lớn chưa giải thích được hết các sự kiện quan trọng trong Vũ trụ và đang được các nhà vật lí thiên văn phát triển và bổ sung.
- HS đọc nội dung của thuyết Big Bang.
- Nghe và ghi nhớ các nội dung chính của thuyết Big Bang
Hoạt động 5: Vận dụng và củng cố
Hoạt động của giáo viên
Hoạt động của học sinh
- Yêu cầu HS: Hãy trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập.
- Gợi ý (nếu cần)
- Yêu cầu HS: Hãy trả lời các câu hỏi trong Sgk.
- Tóm tắt bài học.
- Đánh giá tiết dạy.
- Đọc phiếu học tập, suy nghĩ.
- Trình bày đáp án.
- Đọc các câu hỏi trong Sgk, suy nghĩ và trả lời.
- Ghi tóm tắt nội dung bài học.